JP2005262082A - Hydrogen separation membrane, production method therefor, and hydrogen separation method - Google Patents

Hydrogen separation membrane, production method therefor, and hydrogen separation method Download PDF

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Tetsuo Jin
哲郎 神
Yasuyuki Matsumura
安行 松村
Yukari Kashima
由可梨 加島
Ryuichi Shirai
隆一 白井
Jeinfa Ton
ジェインファ トン
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare a hydrogen separation membrane capable of preventing constitutional elements of a porous sintered metal from diffusing to a palladium thin film even when the hydrogen separation membrane is composed of a support consisting of the porous sintered metal and the palladium (including a palladium alloy) thin film as the constitutional elements. <P>SOLUTION: The hydrogen separation membrane is composed of the porous support consisting of the sintered metal; a thin film formed on the surface of the support, and consisting of a metal not forming a solid solution with constitutive elements of the sintered metal; and the thin film of palladium or the palladium alloy formed on the thin film. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素分離膜、その製造方法及び水素の分離方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen separation membrane, a method for producing the same, and a method for separating hydrogen.

パラジウム(パラジウム合金を含む)薄膜は水素の選択透過性を有しており、従来水素分離膜の構成要素として使用されている。例えば、特許文献1には、アルミナ等の多孔性セラミックスを支持体とし、その表面にめっき法によりパラジウム又はパラジウム合金薄膜を形成してなる水素分離膜が開示されている。このような水素分離膜では、パラジウム薄膜の膜厚が小さいほど水素の透過速度が大きく、しかも高価な貴金属であるパラジウム使用量を低減できるという特性がある。   A palladium (including palladium alloy) thin film has a hydrogen selective permeability and has been used as a component of a conventional hydrogen separation membrane. For example, Patent Document 1 discloses a hydrogen separation membrane in which a porous ceramic such as alumina is used as a support and a palladium or palladium alloy thin film is formed on the surface thereof by a plating method. Such a hydrogen separation membrane has the characteristics that the smaller the thickness of the palladium thin film, the higher the hydrogen permeation rate and the lower the amount of palladium used as an expensive noble metal.

しかしながら、パラジウム(パラジウム合金を含む)を用いた水素分離膜では、一般に300℃以下の使用温度ではパラジウムに水素脆性があるため、300℃を超える温度で使用する必要がある。また、支持体としてセラミックスを用いる場合には、水素分離膜の金属への接合が困難であり、工業装置への装着に支障がある。   However, in a hydrogen separation membrane using palladium (including a palladium alloy), palladium is generally brittle at a use temperature of 300 ° C. or lower, and therefore needs to be used at a temperature exceeding 300 ° C. Further, when ceramics are used as the support, it is difficult to bond the hydrogen separation membrane to the metal, which hinders mounting on industrial equipment.

後者の問題点については、例えば、ガスフィルター等に従来使用されている多孔性焼結金属を支持体として用いることによって金属への接合を容易とすることができる。   As for the latter problem, for example, by using a porous sintered metal conventionally used for a gas filter or the like as a support, it is possible to facilitate joining to the metal.

しかしながら、ステンレス等の多孔性焼結金属を支持体とし、その表面に直接パラジウム又はパラジウム合金薄膜を形成してなる水素分離膜では、特に500℃以上の温度で使用した場合に、多孔性焼結金属に含まれる鉄、ニッケル、クロム等の構成元素が経時的にパラジウム又はパラジウム合金薄膜中に拡散し、水素分離膜の性能を劣化させることが知られている(非特許文献1参照)。
特開平05−137979号公報 Structurally stable composite Pd-Ag alloy membranes: Introduction of a diffusion barrier, Thin Solid Films、286巻、72〜79頁(1996年)
However, in the case of a hydrogen separation membrane in which a porous sintered metal such as stainless steel is used as a support and a palladium or palladium alloy thin film is directly formed on the surface thereof, especially when used at a temperature of 500 ° C. or higher, porous sintering It is known that constituent elements such as iron, nickel, and chromium contained in metal diffuse into palladium or palladium alloy thin film over time and degrade the performance of the hydrogen separation membrane (see Non-Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 05-1371979 Structurally stable composite Pd-Ag alloy membranes: Introduction of a diffusion barrier, Thin Solid Films, 286, 72-79 (1996)

本発明は、多孔性焼結金属からなる支持体及びパラジウム(パラジウム合金を含む)薄膜を構成要素とする場合でも、多孔性焼結金属の構成元素のパラジウム薄膜への拡散が防止された水素分離膜を提供することを主な目的とする。   The present invention is a hydrogen separation in which diffusion of constituent elements of a porous sintered metal into a palladium thin film is prevented even when a support made of a porous sintered metal and a palladium (including palladium alloy) thin film are used as constituent elements. The main purpose is to provide a membrane.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、焼結金属からなる多孔質支持体表面に、焼結金属構成元素の拡散阻止膜として、焼結金属構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜を形成し、該薄膜上にパラジウム又はパラジウム合金の薄膜を形成する場合には、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor formed a sintered metal constituent element and a solid solution as a diffusion barrier film for the sintered metal constituent element on the surface of the porous support made of sintered metal. In the case where a thin film made of a metal that is not used is formed and a thin film of palladium or palladium alloy is formed on the thin film, the present inventors have found that the above object can be achieved and have completed the present invention.

即ち、本発明は、下記の水素分離膜、その製造方法及び水素の分離方法に係る。
1.焼結金属からなる多孔質支持体、該支持体表面に形成された、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜、及び該薄膜上に形成されたパラジウム又はパラジウム合金の薄膜からなることを特徴とする水素分離膜。
2.多孔質支持体表面又は焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜表面に存在する空隙部に、金属、金属酸化物、セラミックス及びこれらの前躯体成分からなる群から選択された少なくとも1種が充填された上記項1記載の水素分離膜。
3.焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属が、銀、金、インジウム、錫及び鉛からなる群から選択された少なくとも1種である上記項1又は2に記載の水素分離膜。
4.焼結金属からなる多孔質支持体の表面に、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜を形成後、該薄膜上にパラジウム又はパラジウム合金の薄膜を形成することを特徴とする水素分離膜の製造方法。
5.多孔質支持体表面又は焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜表面に存在する空隙部に、金属微粒子、金属酸化物微粒子、セラミックス微粒子及びこれらの成分の前駆体微粒子からなる群から選択された少なくとも1種の微粒子を充填する工程をさらに有する上記項4記載の製造方法。
6.焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属が、銀、金、インジウム、錫及び鉛からなる群から選択された少なくとも1種である上記項4又は5に記載の水素分離膜の製造方法。
7.上記項1〜3のいずれかに記載の水素分離膜により隔離された一方の側に水素含有混合気体を存在させ、他方の側の水素分圧を水素含有混合気体側の水素分圧未満とすることを特徴とする水素含有混合気体からの水素の分離方法。

以下、本発明の水素分離膜、その製造方法及び水素の分離方法について説明する。
That is, the present invention relates to the following hydrogen separation membrane, a production method thereof, and a hydrogen separation method.
1. Porous support made of sintered metal, thin film made of metal that does not form a solid solution with constituent elements of the sintered metal formed on the surface of the support, and thin film of palladium or palladium alloy formed on the thin film A hydrogen separation membrane comprising:
2. At least selected from the group consisting of metals, metal oxides, ceramics and their precursor components in the voids present on the surface of the porous support or on the thin film surface made of a metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal Item 2. The hydrogen separation membrane according to Item 1, filled with one kind.
3. Item 3. The hydrogen separation membrane according to Item 1 or 2, wherein the metal that does not form a solid solution with the constituent element of the sintered metal is at least one selected from the group consisting of silver, gold, indium, tin, and lead.
4). A thin film made of metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal is formed on the surface of the porous support made of sintered metal, and then a thin film of palladium or palladium alloy is formed on the thin film. A method for producing a hydrogen separation membrane.
5). Group consisting of metal fine particles, metal oxide fine particles, ceramic fine particles, and precursor fine particles of these components in the voids existing on the surface of the porous support or on the thin film surface made of a metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal Item 5. The method according to Item 4, further comprising a step of filling at least one kind of fine particles selected from the above.
6). Item 6. The method for producing a hydrogen separation membrane according to Item 4 or 5, wherein the metal that does not form a solid solution with the constituent element of the sintered metal is at least one selected from the group consisting of silver, gold, indium, tin and lead.
7). The hydrogen-containing mixed gas is present on one side isolated by the hydrogen separation membrane according to any one of Items 1 to 3, and the hydrogen partial pressure on the other side is less than the hydrogen partial pressure on the hydrogen-containing mixed gas side. A method for separating hydrogen from a hydrogen-containing gas mixture.

Hereinafter, the hydrogen separation membrane, the production method thereof, and the hydrogen separation method of the present invention will be described.

なお、以下の説明では、特段の記載をしない限り、パラジウムには、パラジウム合金の意味が含まれるものとする。   In the following description, unless otherwise specified, palladium includes the meaning of a palladium alloy.

水素分離膜及びその製造方法
本発明の水素分離膜は、焼結金属からなる多孔質支持体、該支持体表面に形成された、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜、及び該薄膜上に形成されたパラジウム又はパラジウム合金の薄膜からなる。
Hydrogen separation membrane and method for producing the same The hydrogen separation membrane of the present invention is a porous support made of sintered metal, and a thin film made of metal that does not form a solid solution with constituent elements of the sintered metal formed on the surface of the support. And a thin film of palladium or palladium alloy formed on the thin film.

このように、本発明の水素分離膜では、焼結金属からなる多孔質支持体の表面に、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜(拡散阻止膜とも言う)が形成されているため、水素分離膜を特に500℃以上の高温条件下で使用しても、焼結金属構成元素のパラジウム薄膜への拡散を防止することができる。これは、焼結金属構成元素が、拡散阻止膜形成金属に固溶(溶解)できず、拡散阻止膜中に入り込まないため、該構成元素のパラジウム薄膜への拡散が防止されるからである。以下、本発明の水素分離膜の各構成要素について説明する。   As described above, in the hydrogen separation membrane of the present invention, a thin film (also referred to as a diffusion barrier membrane) made of a metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal is formed on the surface of the porous support made of the sintered metal. Therefore, even if the hydrogen separation membrane is used under a high temperature condition of 500 ° C. or more, it is possible to prevent the sintered metal constituent element from diffusing into the palladium thin film. This is because the sintered metal constituent element cannot be dissolved (dissolved) in the diffusion barrier film-forming metal and does not enter the diffusion barrier film, so that the constituent element is prevented from diffusing into the palladium thin film. Hereinafter, each component of the hydrogen separation membrane of the present invention will be described.

本発明の水素分離膜では、焼結金属からなる多孔質支持体を用いる。   In the hydrogen separation membrane of the present invention, a porous support made of sintered metal is used.

焼結金属としては多孔質であって水素を容易に透過することができるものであれば特に限定されないが、一般に体積基準の空隙率が10〜60%、好ましくは20〜50%程度であって、平均細孔径が0.1〜10μm、好ましくは0.5〜5μm程度のものを使用すればよい。なお、空隙率及び平均細孔径は水銀圧入法による測定値である。   The sintered metal is not particularly limited as long as it is porous and can easily permeate hydrogen, but generally has a volume-based porosity of 10 to 60%, preferably about 20 to 50%. The average pore diameter may be 0.1 to 10 μm, preferably about 0.5 to 5 μm. The porosity and average pore diameter are values measured by a mercury intrusion method.

具体的には、上記の空隙率及び平均細孔径を有するステンレス、ハステロイ合金、インコネル合金、ニッケル、ニッケル合金が挙げられる。この中でも、特に経済性の点でステンレスが好ましい。   Specific examples include stainless steel, hastelloy alloy, inconel alloy, nickel, and nickel alloy having the above porosity and average pore diameter. Among these, stainless steel is particularly preferable in terms of economy.

これらの焼結金属には、各種構成元素が含まれている。例えば、ステンレスであれば、鉄、ニッケル、クロム等が含まれている。ハステロイ合金であれば、ニッケル、クロム、モリブデンが含まれている。インコネル合金であれば、ニッケル、クロム、鉄、モリブデンが含まれている。ニッケル合金であれば、ニッケル、クロム、コバルトが含まれている。そして、これら焼結金属構成元素の原子半径は、概ね0.127nm以下である。   These sintered metals contain various constituent elements. For example, in the case of stainless steel, iron, nickel, chromium and the like are included. If it is a Hastelloy alloy, it contains nickel, chromium and molybdenum. Inconel alloys include nickel, chromium, iron, and molybdenum. If it is a nickel alloy, nickel, chromium, and cobalt are contained. The atomic radius of these sintered metal constituent elements is approximately 0.127 nm or less.

多孔質支持体の形状は特に限定されず、水素分離膜の支持体として従来用いられている形状を広く採用できる。例えば、板状、円筒状、一端を閉塞した円筒状等が挙げられる。また、支持体の厚み(円筒であれば、外径と内径との差)は特に限定されず、通常0.2〜10mm、好ましくは1〜5mm程度である。   The shape of the porous support is not particularly limited, and a shape conventionally used as a support for a hydrogen separation membrane can be widely adopted. Examples thereof include a plate shape, a cylindrical shape, and a cylindrical shape with one end closed. The thickness of the support (if it is a cylinder, the difference between the outer diameter and the inner diameter) is not particularly limited, and is usually about 0.2 to 10 mm, preferably about 1 to 5 mm.

本発明の水素分離膜では、焼結金属からなる多孔質支持体表面に、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜(拡散阻止膜)が形成されている。この拡散阻止膜が支持体と後記パラジウム薄膜との間に存在することにより、焼結金属構成元素のパラジウム薄膜への拡散が防止される。   In the hydrogen separation membrane of the present invention, a thin film (diffusion prevention membrane) made of a metal that does not form a solid solution with constituent elements of the sintered metal is formed on the surface of the porous support made of the sintered metal. When this diffusion blocking film is present between the support and the palladium thin film described later, diffusion of the sintered metal constituting element into the palladium thin film is prevented.

拡散阻止膜を形成する金属としては、焼結金属構成元素を固溶(溶解)しないものを使用する必要がある。焼結金属構成元素と固溶体を形成しない金属としては、焼結金属構成元素と比べて原子半径が大きな金属を用いればよい。原子半径の差としては、置換型固溶体及び侵入型固溶体のいずれを想定した場合でも、原子半径の差に起因して格子状態が非常に不安定になり、固溶体として存在できない程度の差があればよい。このような原子半径の差があれば、焼結金属構成元素は拡散阻止膜形成金属との関係において固溶体を形成せず(即ち、拡散阻止膜中に入り込まず)、その結果、焼結金属構成元素のパラジウム薄膜への拡散が防止できる。   As the metal forming the diffusion barrier film, it is necessary to use a metal that does not dissolve (dissolve) the sintered metal constituent element. As the metal that does not form a solid solution with the sintered metal constituent element, a metal having a larger atomic radius than the sintered metal constituent element may be used. As for the difference in atomic radius, regardless of whether substitutional solid solution or interstitial solid solution is assumed, there is a difference that the lattice state becomes very unstable due to the difference in atomic radius and cannot exist as a solid solution. Good. If there is such a difference in atomic radius, the sintered metal constituent element does not form a solid solution in relation to the diffusion-preventing film-forming metal (that is, does not enter the diffusion-preventing film), and as a result, the sintered metal constituent Diffusion of elements into the palladium thin film can be prevented.

具体的には、焼結金属構成元素としては、前記の通り、例えば、鉄、ニッケル、クロム、モリブデン等が例示でき、これらの原子半径は概ね0.127nm以下である。そのため、0.127nmよりも大きな原子半径のうち、0.137nm(Pd原子半径に相当)を超える原子半径を有する金属であれば拡散阻止膜形成金属として使用し得る。しかし、原子半径の差がさらに大きい方が固溶阻止により有効であるため、原子半径0.144nm以上の金属を用いることが好ましい。拡散阻止膜形成金属の原子半径の上限は特に限定的ではないが、通常0.175nm、好ましくは0.166nm程度である。   Specifically, examples of the sintered metal constituting element include iron, nickel, chromium, and molybdenum as described above, and the atomic radius thereof is approximately 0.127 nm or less. Therefore, any metal having an atomic radius exceeding 0.137 nm (corresponding to the Pd atomic radius) out of atomic radii larger than 0.127 nm can be used as a diffusion barrier film-forming metal. However, since a larger atomic radius difference is more effective for preventing solid solution, it is preferable to use a metal having an atomic radius of 0.144 nm or more. The upper limit of the atomic radius of the diffusion barrier film-forming metal is not particularly limited, but is usually about 0.175 nm, preferably about 0.166 nm.

拡散阻止膜形成金属としては、焼結金属構成元素の固溶を阻止でき、多孔質支持体及び後記パラジウム薄膜に悪影響を与えないものであれば特に限定されない。具体的には、銀、金、インジウム、錫、鉛、等が挙げられる。これらの金属はいずれも原子半径が0.144nm以上である。この中でも、パラジウムとの親和性の観点から銀、金等が好ましく、コスト面を考慮すると特に銀が好ましい。   The diffusion-preventing film-forming metal is not particularly limited as long as it can prevent solid-solution of the sintered metal constituent elements and does not adversely affect the porous support and the palladium thin film described later. Specific examples include silver, gold, indium, tin, lead, and the like. All of these metals have an atomic radius of 0.144 nm or more. Among these, silver and gold are preferable from the viewpoint of affinity with palladium, and silver is particularly preferable in consideration of cost.

拡散阻止膜の形成方法は特に限定されず、例えば、無電解めっき法、電気めっき法、ペーストを塗布する方法等が挙げられる。めっき方法については、特に限定的ではなく、電気めっき法又は無電解めっき法を適用でき、多孔質支持体の種類、形状等に応じて適宜選択すればよい。具体的なめっき条件については特に限定されず、目的とする金属薄膜を形成可能な公知のめっき浴を使用して、公知の条件に従ってめっきを行えばよい。また、ペーストを塗布する方法では、例えば、拡散阻止膜形成金属の微粒子をエチレングリコール重合物のような高粘度有機物と混合してペースト化し、該ペーストを多孔質支持体の表面に塗布後、熱処理をすればよい。これらの拡散阻止膜形成方法は、必要に応じて、複数を組み合わせることもできる。   The method for forming the diffusion barrier film is not particularly limited, and examples thereof include an electroless plating method, an electroplating method, and a paste coating method. The plating method is not particularly limited, and an electroplating method or an electroless plating method can be applied, and may be appropriately selected according to the type and shape of the porous support. Specific plating conditions are not particularly limited, and plating may be performed according to known conditions using a known plating bath capable of forming a target metal thin film. Further, in the method of applying the paste, for example, the diffusion barrier film-forming metal fine particles are mixed with a high viscosity organic material such as an ethylene glycol polymer to form a paste, and the paste is applied to the surface of the porous support, followed by heat treatment. Just do it. A plurality of these diffusion barrier film forming methods can be combined as necessary.

拡散阻止膜は、多孔質支持体の全面に形成してもよいが、通常は、多孔質支持体の形状に応じて、水素分離膜として使用する際に水素が透過する範囲に形成すればよい。例えば、板状の多孔質支持体を用いる場合には、水素ガスを透過させたい範囲に拡散阻止膜を形成すればよく、円筒状の多孔質支持体を用いる場合には、例えば、外側の面に拡散阻止膜を形成すればよい。   The diffusion barrier membrane may be formed on the entire surface of the porous support, but usually it may be formed in a range where hydrogen can permeate when used as a hydrogen separation membrane depending on the shape of the porous support. . For example, when a plate-like porous support is used, a diffusion prevention film may be formed in a range where hydrogen gas permeates, and when a cylindrical porous support is used, for example, the outer surface A diffusion blocking film may be formed on the substrate.

なお、めっき法により拡散阻止膜を形成する場合には、めっき液を多孔質支持体の片方の面から細孔に圧入する方法、多孔質体の一方の面をめっき液と接触させ、他方の面側を減圧してめっき液を吸引する方法等を採用すると、形成される拡散阻止膜の密着性を向上させることができる。   When forming a diffusion barrier film by a plating method, a method in which a plating solution is pressed into the pores from one surface of the porous support, one surface of the porous body is brought into contact with the plating solution, and the other Adopting a method of sucking the plating solution by reducing the pressure on the surface side can improve the adhesion of the diffusion barrier film to be formed.

これらの方法により形成される拡散阻止膜の厚さは、多孔質支持体の表面細孔を著しく被覆しない限り特に限定的はないが、通常0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上である。0.1μm未満では、パラジウム薄膜への焼結金属構成元素の拡散を防止できない場合がある。拡散阻止膜の厚みの上限は特に限定的ではないが、表面細孔の閉塞防止の観点から通常5μm、好ましくは2μm程度である。   The thickness of the diffusion barrier film formed by these methods is not particularly limited as long as the surface pores of the porous support are not significantly covered, but is usually 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more. If it is less than 0.1 μm, the diffusion of the sintered metal constituting element into the palladium thin film may not be prevented. The upper limit of the thickness of the diffusion barrier film is not particularly limited, but is usually about 5 μm, preferably about 2 μm, from the viewpoint of preventing clogging of the surface pores.

なお、拡散阻止膜の多孔質支持体への密着性を高めるために、多孔質支持体表面に下地膜を形成後、拡散阻止膜を形成してもよい。下地膜としては、例えば、ニッケル、銅等からなる薄膜が使用できる。このような下地膜は、電気めっき等により形成すればよい。下地膜の厚みは特に限定されないが、通常0.1〜1μm、好ましくは0.2〜0.5μm程度である。   In order to improve the adhesion of the diffusion barrier film to the porous support, a diffusion barrier film may be formed after the base film is formed on the surface of the porous support. As the base film, for example, a thin film made of nickel, copper or the like can be used. Such a base film may be formed by electroplating or the like. Although the thickness of a base film is not specifically limited, Usually, 0.1-1 micrometer, Preferably it is about 0.2-0.5 micrometer.

本発明の水素分離膜では、拡散阻止膜上にパラジウム薄膜が形成されている。パラジウム薄膜には、前記の通り、パラジウム合金薄膜の意味も含まれる。合金成分は特に限定されず、例えば、銀、金、ロジウム、ルテニウム、銅及びニッケルからなる群から選択された少なくとも1種が挙げられる。このようなパラジウム合金中におけるパラジウムの割合は特に限定されないが、通常50%以上、好ましくは60%以上程度である。   In the hydrogen separation membrane of the present invention, a palladium thin film is formed on the diffusion barrier membrane. As described above, the palladium thin film includes the meaning of a palladium alloy thin film. The alloy component is not particularly limited, and examples thereof include at least one selected from the group consisting of silver, gold, rhodium, ruthenium, copper and nickel. The proportion of palladium in such a palladium alloy is not particularly limited, but is usually 50% or more, preferably about 60% or more.

パラジウム薄膜の形成方法は特に限定されず、例えば、電気めっき法、無電解めっき法、化学蒸着法等を適用できる。これらの方法は複数を組み合わせて適用することができるが、化学蒸着法により、拡散阻止膜を形成した多孔質支持体(被蒸着物)表面に直接パラジウムを蒸着することは、被蒸着物に空隙が多すぎるため好ましくない。従って、拡散阻止膜を形成した多孔質支持体表面に、めっき法によりパラジウムをめっき後、めっき被膜の欠陥を小さくすることを目的として、さらに化学蒸着法によるパラジウム蒸着を組み合わせることが好ましい。また、このように組み合わせることが実用的である。   The method for forming the palladium thin film is not particularly limited, and for example, an electroplating method, an electroless plating method, a chemical vapor deposition method, or the like can be applied. These methods can be applied in combination of two or more. However, by directly depositing palladium on the surface of a porous support (deposited material) on which a diffusion barrier film is formed by chemical vapor deposition, it is possible to form voids in the deposited material. Is not preferable because of too much. Therefore, it is preferable to combine palladium deposition by chemical vapor deposition for the purpose of reducing defects in the plating film after plating palladium on the surface of the porous support on which the diffusion barrier film is formed by plating. Moreover, it is practical to combine in this way.

電気めっき法及び無電解めっき法におけるめっき条件は特に限定的ではなく、目的のパラジウム、パラジウム合金、及びパラジウム以外の金属のめっきを形成可能な公知のめっき浴を使用して、公知の条件に従ってめっきを行えばよい。パラジウム以外の金属のめっき膜は、例えば、パラジウムめっき膜と積層後、全体を熱処理して合金化し、パラジウム合金薄膜を形成するために用いる。   The plating conditions in the electroplating method and the electroless plating method are not particularly limited, and plating is performed according to known conditions using a known plating bath capable of forming a target palladium, a palladium alloy, and a metal other than palladium. Can be done. The plating film of a metal other than palladium is used, for example, to form a palladium alloy thin film by laminating the palladium plating film and then heat-treating the whole to form an alloy.

また、めっき法によりパラジウム薄膜を形成する場合には、めっき液を拡散阻止膜が形成された多孔質支持体(被めっき体)の片方の面から細孔に圧入する方法、被めっき体の一方の面をめっき液と接触させ、他方の面側を減圧してめっき液を吸引する方法等を採用すれば、形成されるパラジウム薄膜の密着性を向上させることができる。この際、めっき液を超音波により振動させれば、細孔のより内部までめっき液を浸透させることができる。   In addition, when a palladium thin film is formed by plating, a method in which a plating solution is pressed into the pores from one surface of a porous support (plating object) on which a diffusion barrier film is formed, one of the plating objects If a method of bringing the surface into contact with the plating solution and reducing the pressure on the other surface and sucking the plating solution is used, the adhesion of the formed palladium thin film can be improved. At this time, if the plating solution is vibrated by ultrasonic waves, the plating solution can be penetrated into the inside of the pores.

化学蒸着法による蒸着条件も特に限定的ではなく、公知の化学蒸着法を適用できる。例えば、1.3×10-2〜1.3×105Pa程度の蒸気圧を有し、40〜250℃程度、好ましくは50〜200℃程度で蒸発するパラジウム化合物を用い、これを気化させて被蒸着体に供給し、蒸着後に分解させることによって、被蒸着体にパラジウムを堆積することができる。このような化学蒸着法によるパラジウム堆積を、めっき法によりパラジウムをめっき後に行う場合には、パラジウムめっき中の欠陥が緩和されて、水素分離膜として使用する際に、水素以外のガス漏れを防止して、水素の選択的透過性を向上させることができる。 The vapor deposition conditions by the chemical vapor deposition method are not particularly limited, and a known chemical vapor deposition method can be applied. For example, a palladium compound having a vapor pressure of about 1.3 × 10 −2 to 1.3 × 10 5 Pa and evaporating at about 40 to 250 ° C., preferably about 50 to 200 ° C., is vaporized. Then, palladium is deposited on the deposition target by supplying it to the deposition target and decomposing it after the deposition. When palladium deposition by such chemical vapor deposition is performed after plating palladium by plating, defects during palladium plating are alleviated, and gas leakage other than hydrogen is prevented when used as a hydrogen separation membrane. Thus, the selective permeability of hydrogen can be improved.

このようなパラジウム化合物としては、具体的に、ビス(アセチルアセトナト)パラジウム(II)、ビス(ヘキサフルオロアセチルアセトナト)パラジウム(II)、酢酸パラジウム、ビス(オキサラト)パラジウム酸カリウム、ビス(ジチオオキサラト)パラジウム酸カリウム、テトラアンミンパラジウム塩化物、ビス(エチレンジアミン)パラジウム塩化物、ビス(2,2‘−ビピリジン)パラジウム過塩素酸塩、ビス(1,10−フェナントロリン)パラジウム過塩素酸塩、ビス(ジメチルグリオキシマト)パラジウム(II)、[Pd(PCH34]、[Pd(PPh223PPh22](式中、Phはフェニル基を示す)、ジクロロビス(η−エチレン)パラジウム(II)、テトラクロロジ(η−エチレン)パラジウム(II)、カルボニルジクロロパラジウム(II)、ジカルボニルジクロロパラジウム(II)等が挙げられる。 Specific examples of such a palladium compound include bis (acetylacetonato) palladium (II), bis (hexafluoroacetylacetonato) palladium (II), palladium acetate, potassium bis (oxalato) palladate, bis (dithiooxalato). ) Potassium palladiumate, tetraamminepalladium chloride, bis (ethylenediamine) palladium chloride, bis (2,2′-bipyridine) palladium perchlorate, bis (1,10-phenanthroline) palladium perchlorate, bis (dimethyl Glyoximato) palladium (II), [Pd (PCH 3 ) 4 ], [Pd (PPh 2 C 2 H 3 PPh 2 ) 2 ] (wherein Ph represents a phenyl group), dichlorobis (η-ethylene) Palladium (II), tetrachlorodi (η-ethylene) palladium II), carbonyl dichloropalladium (II), dicarbonyl dichloropalladium (II), and the like.

化学蒸着を行う際のパラジウム化合物の気化温度は、用いるパラジウム化合物が気化する温度である限り特に限定されず、パラジウム化合物の種類などに応じて適宜設定することができる。通常40〜250℃程度、好ましくは50〜200℃程度とすればよい。気化したパラジウム化合物は、キャリアガスに同伴させて被蒸着体(例えば、パラジウム薄膜)に導いてもよい。キャリアガスとしては、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスなどを用いることができるが、場合によっては水素、酸素等の反応性を有する気体をキャリアガスとして用いてもよい。   The vaporization temperature of the palladium compound at the time of chemical vapor deposition is not particularly limited as long as it is a temperature at which the palladium compound to be used is vaporized, and can be appropriately set according to the kind of the palladium compound. The temperature is usually about 40 to 250 ° C, preferably about 50 to 200 ° C. The vaporized palladium compound may be guided to a deposition target (for example, a palladium thin film) accompanied by a carrier gas. As the carrier gas, for example, an inert gas such as nitrogen, helium, or argon can be used, but in some cases, a reactive gas such as hydrogen or oxygen may be used as the carrier gas.

パラジウム薄膜上における蒸着温度は、パラジウム化合物の気化温度と同等又はそれ以上であればよく、通常40〜600℃程度、好ましくは50〜400℃程度である。パラジウム化合物を蒸着後、直ちに熱分解させる場合には、蒸着温度は200〜600℃程度とすることが好ましく、250〜400℃程度とすることがより好ましい。   The vapor deposition temperature on the palladium thin film may be equal to or higher than the vaporization temperature of the palladium compound, and is usually about 40 to 600 ° C, preferably about 50 to 400 ° C. When the palladium compound is thermally decomposed immediately after vapor deposition, the vapor deposition temperature is preferably about 200 to 600 ° C, more preferably about 250 to 400 ° C.

蒸着時間は特に限定されず、所望のパラジウム堆積量に応じて適宜設定することができるが、通常0.5〜24時間程度、好ましくは1〜10時間程度とすればよい。   The vapor deposition time is not particularly limited and can be appropriately set according to the desired palladium deposition amount, but is usually about 0.5 to 24 hours, preferably about 1 to 10 hours.

また、パラジウムを蒸着させる際は、被蒸着体の一方の面を気化したパラジウム化合物に接触させ、他方の面側の圧力を気化したバラジウム化合物が接触する側の圧力より低くすることにより、パラジウム化合物を効率よく流通させながら蒸着することができる。例えば、一方の端を封止した管状の多孔質支持体の外側にパラジウム薄膜をめっき法により形成後、該支持体の内部を減圧状態として、該支持体の外面(被蒸着面)を気化したパラジウム化合物と接触させることにより、パラジウムめっきの欠陥部に気化したパラジウム化合物を優先的に導くことができ、より確実にパラジウム化合物をめっき欠陥に蒸着することができる。   In addition, when palladium is vapor-deposited, one surface of the deposition target is brought into contact with the vaporized palladium compound, and the pressure on the other surface side is made lower than the pressure on the side where the vaporized palladium compound is in contact with the palladium compound. Can be vapor-deposited while being distributed efficiently. For example, after forming a palladium thin film on the outside of a tubular porous support with one end sealed by plating, the inside of the support is reduced in pressure, and the outer surface (deposition surface) of the support is vaporized. By contacting with the palladium compound, the vaporized palladium compound can be preferentially guided to the defective portion of the palladium plating, and the palladium compound can be more reliably deposited on the plating defect.

さらに、蒸着したパラジウムを完全に密着させるために、必要に応じて、加熱処理、還元処理等を行ってもよい。加熱処理における加熱温度は、パラジウム化合物の種類等に応じて適宜設定することができるが、200〜600℃程度とすることが好ましく、250〜400℃とすることがより好ましい。加熱処理は、通常、空気中などの酸素含有雰囲気下で行えばよい。加熱時間は、通常、1〜5時間程度とすればよい。還元処理は、通常、還元ガス雰囲気下で加熱することによって行うことができる。還元ガスとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタノール等の還元性を有する気体を用いることができる。還元温度はパラジウム化合物の種類などに応じて適宜設定することができるが、100〜600℃程度が好ましく、200〜500℃程度がより好ましい。還元処理の時間は、通常30分〜5時間程度とすればよい。これらの加熱処理及び還元処理は、いずれか一方のみを行ってもよく、両方の処理を行ってもよい。   Further, heat treatment, reduction treatment, or the like may be performed as necessary to completely adhere the deposited palladium. Although the heating temperature in heat processing can be suitably set according to the kind etc. of palladium compound, it is preferable to set it as about 200-600 degreeC, and it is more preferable to set it as 250-400 degreeC. The heat treatment is usually performed in an oxygen-containing atmosphere such as in the air. The heating time is usually about 1 to 5 hours. The reduction treatment can usually be performed by heating in a reducing gas atmosphere. As the reducing gas, for example, a reducing gas such as hydrogen, carbon monoxide, or methanol can be used. The reduction temperature can be appropriately set according to the kind of the palladium compound, but is preferably about 100 to 600 ° C, more preferably about 200 to 500 ° C. The time for the reduction treatment is usually about 30 minutes to 5 hours. Only one of these heat treatment and reduction treatment may be performed, or both treatments may be performed.

また、パラジウム合金薄膜を形成することを目的として、パラジウム及びパラジウム以外の金属を別個に堆積した場合には、その合金化を促進するため、真空中;窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス中;水素中等において熱処理を行う。熱処理温度は、通常300〜900℃、好ましくは400〜800℃、より好ましくは500〜700℃であり、熱処理時間は堆積金属の種類、熱処理温度等に応じて適宜設定できる。なお、熱処理が過度になると、拡散阻止膜とその上のパラジウム膜とが著しく合金形成し、拡散阻止膜の機能が損なわれるおそれがあるため、かかる合金形成が生じない範囲で熱処理条件を調整する必要がある。これにより、目的とするパラジウム合金薄膜が得られる。   In addition, in the case where palladium and a metal other than palladium are deposited separately for the purpose of forming a palladium alloy thin film, in order to promote the alloying, in a vacuum; in an inert gas such as nitrogen, argon or helium Heat treatment is performed in hydrogen or the like. The heat treatment temperature is usually 300 to 900 ° C., preferably 400 to 800 ° C., more preferably 500 to 700 ° C. The heat treatment time can be appropriately set according to the kind of deposited metal, the heat treatment temperature, and the like. If the heat treatment becomes excessive, the diffusion barrier film and the palladium film thereon are remarkably alloyed, and the function of the diffusion barrier film may be impaired. Therefore, the heat treatment conditions are adjusted within a range in which such alloy formation does not occur. There is a need. Thereby, the target palladium alloy thin film is obtained.

パラジウム薄膜は、多孔質支持体表面に形成された拡散阻止膜を被覆するように形成すればよい。通常は、多孔質支持体の形状に応じて、水素分離膜として使用する際に水素が透過する範囲に形成される。例えば、板状の多孔質支持体を用いる場合には、水素ガスを透過させたい範囲にパラジウム薄膜が形成され、円筒状の多孔質支持体を用いる場合には、例えば、外側の面にパラジウム薄膜が形成される。   The palladium thin film may be formed so as to cover the diffusion barrier film formed on the surface of the porous support. Usually, it forms in the range which hydrogen permeate | transmits when using as a hydrogen separation membrane according to the shape of a porous support body. For example, when using a plate-like porous support, a palladium thin film is formed in a range where hydrogen gas is desired to pass. When using a cylindrical porous support, for example, a palladium thin film is formed on the outer surface. Is formed.

これらの方法により形成されるパラジウム薄膜の厚さは、通常1〜20μm、好ましくは2〜10μm程度である。厚みが1μm未満である場合には薄膜欠陥が大きくなるおそれがあり、20μmを超える場合には、水素の透過量が減少して経済性を損なわれる。   The thickness of the palladium thin film formed by these methods is usually about 1 to 20 μm, preferably about 2 to 10 μm. If the thickness is less than 1 μm, the thin film defects may increase, and if it exceeds 20 μm, the amount of hydrogen permeation decreases and the economy is impaired.

本発明の水素分離膜では、多孔質支持体表面に表面細孔径が10μm以上の細孔が存在する場合には、拡散阻止膜の形成後、パラジウム薄膜を形成した際に、細孔部分が表面欠陥となる可能性がある。このような表面欠陥を解消するためには、例えば、拡散阻止膜の形成後、該阻止膜表面に存在する空隙部に、金属微粒子、金属酸化物微粒子、セラミックス微粒子、これらの成分(金属、金属酸化物及びセラミックス)の前駆体微粒子からなる群から選択された少なくとも1種の微粒子を充填し、表面細孔の平均細孔径を小さくすることが有効となる。パラジウム薄膜の形成は、充填後の拡散阻止膜表面に対して行えばよい。   In the hydrogen separation membrane of the present invention, when pores having a surface pore diameter of 10 μm or more are present on the surface of the porous support, the pores are not exposed when the palladium thin film is formed after the formation of the diffusion barrier membrane. It can be a defect. In order to eliminate such surface defects, for example, after formation of the diffusion barrier film, metal fine particles, metal oxide fine particles, ceramic fine particles, and these components (metal, metal, metal) are formed in voids existing on the surface of the barrier film. It is effective to fill at least one kind of fine particles selected from the group consisting of precursor fine particles of oxides and ceramics and to reduce the average pore diameter of the surface pores. The formation of the palladium thin film may be performed on the surface of the diffusion barrier film after filling.

このような微粒子の充填は、拡散阻止膜の形成前に多孔質支持体表面の細孔に対して行うこともできるが、この場合には、充填後の微粒子に拡散阻止膜形成金属が付着し、結果的にガス透過性を低下させるおそれがあるため、拡散阻止膜の形成後に微粒子を充填する方が好ましい。充填量は特に限定的ではないが、通常は表面から10μm程度の領域に存在する焼結金属層の空隙率を20%以下にできる量が好ましい。   Such filling of the fine particles can be performed on the pores on the surface of the porous support before the formation of the diffusion barrier film. In this case, however, the diffusion barrier film-forming metal adheres to the fine particles after the filling. As a result, gas permeability may be lowered, and therefore it is preferable to fill fine particles after the formation of the diffusion barrier film. The filling amount is not particularly limited, but usually an amount capable of reducing the porosity of the sintered metal layer present in the region of about 10 μm from the surface to 20% or less is preferable.

金属微粒子としては、例えば、銀、パラジウム、金等の微粒子が挙げられる。金属酸化物微粒子としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化チタン等の微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等の微粒子が挙げられる。これらの成分(金属、金属酸化物及びセラミックス)の前駆体微粒子としては、例えば、水酸化銀、水酸化パラジウム、水酸化金、水酸化アルミニウム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化亜鉛、水酸化チタン、シリカゲル等の微粒子が挙げられる。これらの微粒子は、いずれもパラジウム薄膜に悪影響を与えない微粒子であるため充填に適している。微粒子の有効粒子径は、充填対象となる細孔の径よりも小さいものであれば特に限定されない。なお、これらの微粒子は、パラジウム薄膜の形成時などに施される熱処理により微粒子状態を脱して、金属、金属酸化物、セラミックス等の塊となってもよい。   Examples of the metal fine particles include fine particles of silver, palladium, gold and the like. Examples of the metal oxide fine particles include fine particles of aluminum oxide, zirconium oxide, cerium oxide, zinc oxide, titanium oxide and the like. Examples of the ceramic fine particles include fine particles of silica, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, and the like. Examples of the precursor fine particles of these components (metal, metal oxide and ceramic) include, for example, silver hydroxide, palladium hydroxide, gold hydroxide, aluminum hydroxide, zirconium hydroxide, cerium hydroxide, zinc hydroxide, water Examples thereof include fine particles such as titanium oxide and silica gel. Since these fine particles are fine particles that do not adversely affect the palladium thin film, they are suitable for filling. The effective particle diameter of the fine particles is not particularly limited as long as it is smaller than the diameter of the pores to be filled. Note that these fine particles may be removed from the fine particle state by a heat treatment performed at the time of forming a palladium thin film or the like to become a lump of metal, metal oxide, ceramics, or the like.

微粒子の充填方法は特に限定的ではないが、例えば、微粒子を含む分散液を充填したい細孔に圧入する方法、被充填体の一方の面を分散液と接触させ、他方の面側を減圧して分散液を吸引する方法等を採用すれば、微粒子の堆積を促進することができる。この際、超音波により分散液又は被充填体を振動させれば、空隙部(細孔)のより内部まで効率的に微粒子を堆積させることができる。   The method for filling the fine particles is not particularly limited. For example, a method of press-fitting into a pore to be filled with a dispersion containing fine particles, one surface of the object to be filled is brought into contact with the dispersion, and the other surface is decompressed. If a method of sucking the dispersion liquid is employed, the deposition of fine particles can be promoted. At this time, if the dispersion liquid or the filling object is vibrated by ultrasonic waves, the fine particles can be efficiently deposited to the inside of the voids (pores).

また、パラジウム薄膜の形成に無電解めっき法を採用する場合には、微粒子を含む分散液中に、めっき用の触媒付与剤を混合させてもよい。これにより、微粒子の堆積とめっき用触媒の付与を同時に行えるため、水素分離膜の作製工程を減らすことができる。   Further, when an electroless plating method is adopted for forming the palladium thin film, a catalyst-imparting agent for plating may be mixed in a dispersion containing fine particles. Thereby, since deposition of fine particles and application of a catalyst for plating can be performed at the same time, the production process of the hydrogen separation membrane can be reduced.

なお、このような微粒子を細孔中に充填する方法を採用すれば、水素分離膜の表面欠陥を減少させることができるため、多孔質支持体表面に存在する細孔の表面細孔径が10μm未満の場合であっても、この手法を適用してもよい。   If a method of filling such fine particles into the pores is adopted, surface defects of the hydrogen separation membrane can be reduced, so that the surface pore diameter of the pores existing on the porous support surface is less than 10 μm. Even in this case, this method may be applied.

水素の分離方法
本発明の水素分離膜は、常法に従って、水素を含有する混合気体から水素のみを分離するために使用できる。例えば、該水素分離膜によって隔離された一方の側に水素含有混合気体を位置させて該水素分離膜の一方の面を水素含有気体と接触させ、他方の面側の水素分圧を水素含有混合気体側の水素分圧未満とすればよい。これにより水素分離膜中を水素が選択的に透過して、水素含有混合気体側にある水素のみを反対側に移動させて分離することができる。この場合の水素分離膜の温度は、通常200〜700℃、好ましくは300〜600℃程度とすればよい。温度が低すぎるとパラジウム又はパラジウム合金薄膜中の脆化が生じ易くなり、温度が高すぎると膜の劣化が生じ易くなるので好ましくない。
Hydrogen Separation Method The hydrogen separation membrane of the present invention can be used to separate only hydrogen from a gas mixture containing hydrogen according to a conventional method. For example, a hydrogen-containing mixed gas is positioned on one side separated by the hydrogen separation membrane, one surface of the hydrogen separation membrane is brought into contact with the hydrogen-containing gas, and the hydrogen partial pressure on the other surface side is mixed with the hydrogen-containing mixture. It may be less than the hydrogen partial pressure on the gas side. Thereby, hydrogen selectively permeates through the hydrogen separation membrane, and only hydrogen on the hydrogen-containing mixed gas side can be moved to the opposite side for separation. In this case, the temperature of the hydrogen separation membrane is usually 200 to 700 ° C., preferably about 300 to 600 ° C. If the temperature is too low, embrittlement in the palladium or palladium alloy thin film tends to occur, and if the temperature is too high, the film tends to deteriorate.

本発明の水素分離膜は、焼結金属からなる多孔質支持体表面に、焼結金属構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜(拡散阻止膜)が形成されているため、焼結金属構成元素は拡散阻止膜中に入り込めず、水素分離膜を高温条件下(特に500℃以上)で使用した場合でも、焼結金属構成元素のパラジウム薄膜への拡散が防止されている。そのため、公知の水素分離膜に比して、熱的に安定である。   The hydrogen separation membrane of the present invention has a sintered metal structure because a thin film (diffusion prevention film) made of a metal that does not form a solid solution with a sintered metal constituent element is formed on the surface of a porous support made of sintered metal. The element cannot enter the diffusion barrier film, and even when the hydrogen separation membrane is used under high temperature conditions (particularly 500 ° C. or higher), the diffusion of the sintered metal constituting element into the palladium thin film is prevented. Therefore, it is thermally stable as compared with known hydrogen separation membranes.

また、焼結金属からなる支持体を用いているため、工業装置への装着が容易である上、機械的に安定である。   In addition, since a support made of sintered metal is used, it is easy to mount on industrial equipment and is mechanically stable.

以下に実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the examples.

製造例1
一方を封じた円筒状ステンレス製焼結金属管(内径7mm、外径10mm、平均表面細孔径1μm)の表面(管の外側の面)に無電解めっきにより銀薄膜(膜厚1μm)を形成した。次いで、その上に無電解めっきによりパラジウム薄膜(膜厚5μm)を形成した。さらに、電気めっきによりパラジウム薄膜(膜厚5μm)を形成してパラジウム膜厚を増加させて、最終的にパラジウム膜厚を10μmにした。
Production Example 1
A silver thin film (film thickness: 1 μm) was formed by electroless plating on the surface (the outer surface of the tube) of a cylindrical stainless steel sintered metal tube (inner diameter: 7 mm, outer diameter: 10 mm, average surface pore diameter: 1 μm) sealed on one side. . Next, a palladium thin film (film thickness 5 μm) was formed thereon by electroless plating. Further, a palladium thin film (film thickness 5 μm) was formed by electroplating to increase the palladium film thickness, and finally the palladium film thickness was 10 μm.

次いで、パラジウム薄膜を形成した金属管を120℃で10時間乾燥後、500℃のアルゴン気流中で5時間熱処理を行って水素分離膜を製造した。   Next, the metal tube on which the palladium thin film was formed was dried at 120 ° C. for 10 hours and then heat-treated in an argon stream at 500 ° C. for 5 hours to produce a hydrogen separation membrane.

製造例2
一方を封じた円筒状ステンレス製焼結金属管(内径7mm、外径10mm、平均表面細孔径5μm)の表面(管の外側の面)に電気めっきにより銀薄膜(膜厚0.3μm)を形成した。次いで、水酸化アルミニウム微粒子を無電解めっき用触媒付与剤に分散させた分散液を焼結金属管の内部を減圧することにより吸引し、水酸化アルミニウム微粒子を焼結金属管の表面細孔中に堆積させた。その後、その上に無電解めっきによりパラジウム薄膜(膜厚8μm)を形成した。
Production Example 2
A silver thin film (thickness 0.3 μm) is formed by electroplating on the surface (the outer surface of the tube) of a cylindrical stainless steel tube (inner diameter 7 mm, outer diameter 10 mm, average surface pore diameter 5 μm) sealed on one side did. Next, a dispersion liquid in which aluminum hydroxide fine particles are dispersed in a catalyst imparting agent for electroless plating is sucked by reducing the pressure inside the sintered metal tube, and the aluminum hydroxide fine particles are put into the surface pores of the sintered metal tube. Deposited. Thereafter, a palladium thin film (film thickness: 8 μm) was formed thereon by electroless plating.

次いで、パラジウム薄膜を形成した金属管を120℃で10時間乾燥後、500℃のアルゴン気流中で5時間熱処理を行って水素分離膜を製造した。   Next, the metal tube on which the palladium thin film was formed was dried at 120 ° C. for 10 hours and then heat-treated in an argon stream at 500 ° C. for 5 hours to produce a hydrogen separation membrane.

製造例3
一方を封じた円筒状ステンレス製焼結金属管(内径7mm、外径10mm、平均表面細孔径5μm)の表面(管の外側の面)に電気めっきにより銀薄膜(膜厚0.3μm)を形成した。次いで、水酸化アルミニウム微粒子を無電解めっき用触媒付与剤に分散させた分散液を焼結金属管の内部を減圧することにより吸引し、水酸化アルミニウム微粒子を焼結金属管の表面細孔中に堆積させた。その後、その上に無電解めっきによりパラジウム薄膜(膜厚3μm)を形成した。
Production Example 3
A silver thin film (thickness 0.3 μm) is formed by electroplating on the surface (the outer surface of the tube) of a cylindrical stainless steel tube (inner diameter 7 mm, outer diameter 10 mm, average surface pore diameter 5 μm) sealed on one side did. Next, a dispersion liquid in which aluminum hydroxide fine particles are dispersed in a catalyst imparting agent for electroless plating is sucked by reducing the pressure inside the sintered metal tube, and the aluminum hydroxide fine particles are put into the surface pores of the sintered metal tube. Deposited. Thereafter, a palladium thin film (film thickness: 3 μm) was formed thereon by electroless plating.

次いで、パラジウム薄膜を形成した金属管を120℃で10時間乾燥後、500℃のアルゴン気流中で5時間熱処理を行って水素分離膜を製造した。   Next, the metal tube on which the palladium thin film was formed was dried at 120 ° C. for 10 hours and then heat-treated in an argon stream at 500 ° C. for 5 hours to produce a hydrogen separation membrane.

製造例4
一方を封じた円筒状ステンレス製焼結金属管(内径7mm、外径10mm、平均表面細孔径5μm)の表面(管の外側の面)に電気めっきにより金薄膜(膜厚0.5μm)を形成した。次いで、水酸化アルミニウム微粒子を無電解めっき用触媒付与剤に分散させた分散液を焼結金属管の内部を減圧することにより吸引し、水酸化アルミニウム微粒子を焼結金属管の表面細孔中に堆積させた。その後、その上に無電解めっきによりパラジウム薄膜(膜厚3μm)を形成した。さらに、その上に電気めっきによりパラジウム・銀合金薄膜(膜厚2μm)を形成した。
Production Example 4
Forming a thin gold film (thickness 0.5 μm) by electroplating on the surface (outer surface of the tube) of a cylindrical stainless steel tube (inner diameter 7 mm, outer diameter 10 mm, average surface pore diameter 5 μm) sealed on one side did. Next, a dispersion liquid in which aluminum hydroxide fine particles are dispersed in a catalyst imparting agent for electroless plating is sucked by reducing the pressure inside the sintered metal tube, and the aluminum hydroxide fine particles are put into the surface pores of the sintered metal tube. Deposited. Thereafter, a palladium thin film (film thickness: 3 μm) was formed thereon by electroless plating. Further, a palladium / silver alloy thin film (film thickness: 2 μm) was formed thereon by electroplating.

次いで、パラジウム・銀合金薄膜を形成した金属管を120℃で10時間乾燥後、500℃アルゴン気流中で5時間熱処理を行って水素分離膜を製造した。   Next, the metal tube on which the palladium / silver alloy thin film was formed was dried at 120 ° C. for 10 hours and then heat-treated in an argon stream at 500 ° C. for 5 hours to produce a hydrogen separation membrane.

比較製造例1
一方を封じた円筒状ステンレス製焼結金属管(内径7mm、外径10mm、平均表面細孔径5μm)を用意した。次いで、水酸化アルミニウム微粒子を無電解めっき用触媒付与剤に分散させた分散液を焼結金属管の内部を減圧することにより吸引し、水酸化アルミニウム微粒子を焼結金属管の表面細孔中に堆積させた。その後、その上に無電解めっきによりパラジウム薄膜(膜厚8μm)を形成した。次いで、パラジウム・銀合金薄膜を形成した金属管を120℃で10時間乾燥後、500℃アルゴン気流中で5時間熱処理を行って水素分離膜を製造した。
Comparative production example 1
A cylindrical stainless steel sintered tube (inner diameter 7 mm, outer diameter 10 mm, average surface pore diameter 5 μm) sealed on one side was prepared. Next, a dispersion liquid in which aluminum hydroxide fine particles are dispersed in a catalyst imparting agent for electroless plating is sucked by reducing the pressure inside the sintered metal tube, and the aluminum hydroxide fine particles are put into the surface pores of the sintered metal tube. Deposited. Thereafter, a palladium thin film (film thickness: 8 μm) was formed thereon by electroless plating. Next, the metal tube on which the palladium / silver alloy thin film was formed was dried at 120 ° C. for 10 hours and then heat-treated in a 500 ° C. argon stream for 5 hours to produce a hydrogen separation membrane.

実施例1
製造例1で製造した水素分離膜を500℃に保持し、分離膜の外側に水素2気圧とアルゴン2気圧との混合気体を置き、分離膜の内側を大気圧とした。
Example 1
The hydrogen separation membrane produced in Production Example 1 was maintained at 500 ° C., a mixed gas of 2 atmospheres of hydrogen and 2 atmospheres of argon was placed outside the separation membrane, and the inside of the separation membrane was set to atmospheric pressure.

その結果、22ml/cm2/minの流量で水素が分離膜の外側から内側に流れて分離された。また、アルゴン流量は0.06ml/cm2/minであった。100時間経過後も透過流量の変化は認められなかった。 As a result, hydrogen flowed from the outside to the inside of the separation membrane at a flow rate of 22 ml / cm 2 / min and separated. The argon flow rate was 0.06 ml / cm 2 / min. Even after 100 hours, no change in permeate flow rate was observed.

その後、管(水素分離膜)の断面を走査電子顕微鏡により観察して元素分析した結果、パラジウム層に鉄、クロム等の拡散は認められなかった。   Thereafter, the cross section of the tube (hydrogen separation membrane) was observed with a scanning electron microscope and subjected to elemental analysis. As a result, no diffusion of iron, chromium, etc. was observed in the palladium layer.

実施例2
製造例2で製造した水素分離膜を500℃に保持し、分離膜の外側に水素2気圧とアルゴン2気圧との混合気体を置き、分離膜の内側を大気圧とした。
Example 2
The hydrogen separation membrane produced in Production Example 2 was maintained at 500 ° C., a mixed gas of 2 atm hydrogen and 2 atm argon was placed outside the separation membrane, and the inside of the separation membrane was set to atmospheric pressure.

その結果、20ml/cm2/minの流量で水素が分離膜の外側から内側に流れて分離された。アルゴンの透過は認められなかった。100時間経過後も透過流量の変化は認められなかった。 As a result, hydrogen flowed from the outside to the inside of the separation membrane at a flow rate of 20 ml / cm 2 / min and separated. Argon permeation was not observed. Even after 100 hours, no change in permeate flow rate was observed.

その後、管(水素分離膜)の断面を走査電子顕微鏡により確認して元素分析した結果、パラジウム層に鉄、クロム等の拡散は認められなかった。   Thereafter, the cross section of the tube (hydrogen separation membrane) was confirmed with a scanning electron microscope and subjected to elemental analysis. As a result, no diffusion of iron, chromium or the like was observed in the palladium layer.

実施例3
製造例3で製造した水素分離膜を500℃に保持し、分離膜の外側に水素2気圧とアルゴン2気圧との混合気体を置き、分離膜の内側を大気圧とした。
Example 3
The hydrogen separation membrane produced in Production Example 3 was kept at 500 ° C., a mixed gas of 2 atm hydrogen and 2 atm argon was placed outside the separation membrane, and the inside of the separation membrane was set to atmospheric pressure.

その結果、24ml/cm2/minの流量で水素が分離膜の外側から内側に流れて分離された。アルゴンの透過は認められなかった。100時間経過後も透過流量の変化は認められなかった。 As a result, hydrogen flowed from the outside to the inside of the separation membrane at a flow rate of 24 ml / cm 2 / min, and was separated. Argon permeation was not observed. Even after 100 hours, no change in permeate flow rate was observed.

その後、管(水素分離膜)の断面を走査電子顕微鏡により観察して元素分析した結果、パラジウム及びパラジウム・銀合金層に鉄、クロム等の拡散は認められなかった。   Thereafter, the cross section of the tube (hydrogen separation membrane) was observed with a scanning electron microscope and subjected to elemental analysis. As a result, no diffusion of iron, chromium, etc. was observed in the palladium and palladium / silver alloy layers.

実施例4
製造例4で製造した水素分離膜を500℃に保持し、分離膜の外側に水素2気圧とアルゴン2気圧との混合気体を置き、分離膜の内側を大気圧とした。
Example 4
The hydrogen separation membrane produced in Production Example 4 was maintained at 500 ° C., a mixed gas of 2 atm hydrogen and 2 atm argon was placed outside the separation membrane, and the inside of the separation membrane was set to atmospheric pressure.

その結果、23ml/cm2/minの流量で水素が分離膜の外側から内側に流れて分離された。アルゴンの透過は認められなかった。100時間経過後も透過流量の変化は認められなかった。 As a result, hydrogen flowed from the outside to the inside of the separation membrane at a flow rate of 23 ml / cm 2 / min and separated. Argon permeation was not observed. Even after 100 hours, no change in permeate flow rate was observed.

その後、管(水素分離膜)の断面を走査電子顕微鏡により観察して元素分析した結果、パラジウム層に鉄、クロム等の拡散は認められなかった。   Thereafter, the cross section of the tube (hydrogen separation membrane) was observed with a scanning electron microscope and subjected to elemental analysis. As a result, no diffusion of iron, chromium, etc. was observed in the palladium layer.

比較例1
比較製造例1で製造した水素分離膜を500℃に保持し、分離膜の外側に水素2気圧とアルゴン2気圧との混合気体を置き、分離膜の内側を大気圧とした。
Comparative Example 1
The hydrogen separation membrane produced in Comparative Production Example 1 was maintained at 500 ° C., a mixed gas of 2 atm hydrogen and 2 atm argon was placed outside the separation membrane, and the inside of the separation membrane was at atmospheric pressure.

その結果、初期には20ml/cm2/minの流量で水素が分離膜の外側から内側に流れて分離されたが、時間経過と共に透過流量が減少し、24時間後には水素の透過流量は15ml/cm2/minまで減少した。アルゴンの透過は認められなかった。 As a result, hydrogen initially flowed from the outside to the inside of the separation membrane at a flow rate of 20 ml / cm 2 / min, but the permeate flow rate decreased with time. After 24 hours, the hydrogen permeate flow rate was 15 ml. It decreased to / cm 2 / min. Argon permeation was not observed.

その後、管(水素分離膜)の断面を走査電子顕微鏡により観察して元素分析した結果、パラジウム層に顕著な鉄の拡散(推定鉄濃度:約4%)が認められた。   Thereafter, the cross section of the tube (hydrogen separation membrane) was observed with a scanning electron microscope and subjected to elemental analysis. As a result, remarkable palladium diffusion (estimated iron concentration: about 4%) was observed in the palladium layer.

Claims (7)

焼結金属からなる多孔質支持体、該支持体表面に形成された、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜、及び該薄膜上に形成されたパラジウム又はパラジウム合金の薄膜からなることを特徴とする水素分離膜。   Porous support made of sintered metal, thin film made of metal that does not form a solid solution with constituent elements of the sintered metal formed on the surface of the support, and thin film of palladium or palladium alloy formed on the thin film A hydrogen separation membrane comprising: 多孔質支持体表面又は焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜表面に存在する空隙部に、金属、金属酸化物、セラミックス及びこれらの前躯体成分からなる群から選択された少なくとも1種が充填された請求項1記載の水素分離膜。   At least selected from the group consisting of metals, metal oxides, ceramics and their precursor components in the voids present on the surface of the porous support or on the thin film surface made of a metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal The hydrogen separation membrane according to claim 1, which is filled with one kind. 焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属が、銀、金、インジウム、錫及び鉛からなる群から選択された少なくとも1種である請求項1又は2に記載の水素分離膜。   The hydrogen separation membrane according to claim 1 or 2, wherein the metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal is at least one selected from the group consisting of silver, gold, indium, tin, and lead. 焼結金属からなる多孔質支持体の表面に、該焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜を形成後、該薄膜上にパラジウム又はパラジウム合金の薄膜を形成することを特徴とする水素分離膜の製造方法。   A thin film made of metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal is formed on the surface of the porous support made of sintered metal, and then a thin film of palladium or palladium alloy is formed on the thin film. A method for producing a hydrogen separation membrane. 多孔質支持体表面又は焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属からなる薄膜表面に存在する空隙部に、金属微粒子、金属酸化物微粒子、セラミックス微粒子及びこれらの成分の前駆体微粒子からなる群から選択された少なくとも1種の微粒子を充填する工程をさらに有する請求項4記載の製造方法。   Group consisting of metal fine particles, metal oxide fine particles, ceramic fine particles, and precursor fine particles of these components in the voids existing on the surface of the porous support or on the thin film surface made of a metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal The production method according to claim 4, further comprising a step of filling at least one kind of fine particles selected from: 焼結金属の構成元素と固溶体を形成しない金属が、銀、金、インジウム、錫及び鉛からなる群から選択された少なくとも1種である請求項4又は5に記載の水素分離膜の製造方法。   The method for producing a hydrogen separation membrane according to claim 4 or 5, wherein the metal that does not form a solid solution with the constituent elements of the sintered metal is at least one selected from the group consisting of silver, gold, indium, tin and lead. 請求項1〜3のいずれかに記載の水素分離膜により隔離された一方の側に水素含有混合気体を存在させ、他方の側の水素分圧を水素含有混合気体側の水素分圧未満とすることを特徴とする水素含有混合気体からの水素の分離方法。   A hydrogen-containing mixed gas is present on one side isolated by the hydrogen separation membrane according to any one of claims 1 to 3, and the hydrogen partial pressure on the other side is less than the hydrogen partial pressure on the hydrogen-containing mixed gas side. A method for separating hydrogen from a hydrogen-containing gas mixture.
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